基于雙面平行帶線的三通帶濾波器設(shè)計(jì)*

趙小蘭 韋崗 章秀銀 劉沛杰

(華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510640)

隨著多通帶、多標(biāo)準(zhǔn)無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，用于多個(gè)分離頻帶的射頻設(shè)備的需求越來越大，多通帶濾波器作為射頻系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其需求也日益增大，因此，很多學(xué)者對(duì)三通帶濾波器進(jìn)行了廣泛研究，并提出了多種設(shè)計(jì)方法［1-3］.一種典型的設(shè)計(jì)方法是利用三組諧振器實(shí)現(xiàn)3 個(gè)通帶［4］，但3 個(gè)諧振器會(huì)使得濾波器的尺寸較大.為減小濾波器的總體尺寸，可以使用2 個(gè)諧振器，其中一個(gè)控制2 個(gè)頻率，另一個(gè)控制第3 個(gè)頻率［5-6］;或使用一個(gè)諧振器來實(shí)現(xiàn)三通帶濾波器，濾波器的每個(gè)通帶用支節(jié)線產(chǎn)生的傳輸零點(diǎn)分隔［7］;或使用開路和短路的支節(jié)線加載諧振器來設(shè)計(jì)三通帶濾波器［8］.采用階躍阻抗諧振器(SIR)是另一種典型的濾波器設(shè)計(jì)方法［9-12］，SIR 具有多波段、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易構(gòu)建等優(yōu)點(diǎn)，但其諧振頻率相互影響，設(shè)計(jì)過程較復(fù)雜.上述方法設(shè)計(jì)的濾波器都是用單端傳輸線設(shè)計(jì)的，存在共模噪聲.雙面平行帶線(DSPSL)是一種平衡傳輸線，能抑制共模噪聲，具有高動(dòng)態(tài)范圍、高線性度的優(yōu)點(diǎn).近年來，已有一些基于DSPSL 結(jié)構(gòu)的各類濾波器［13-15］面世.然而到目前為止，還沒有基于DSPSL的三通帶濾波器的報(bào)道.

為此，文中提出了一種新的三通帶濾波器設(shè)計(jì)方法，該方法使用了2 個(gè)基于雙面平行帶線的諧振器，并在兩層介質(zhì)的中間插入導(dǎo)體平面.該導(dǎo)體平面可以作為頂層和底層電路的地，具有隔離頂層與底層電路的特性，這種結(jié)構(gòu)可提供2 個(gè)傳輸路徑［16］.通過將2 個(gè)不同尺寸的諧振器嵌入到2 個(gè)路徑中來產(chǎn)生3 個(gè)通帶，同時(shí)2 個(gè)路徑間無需組合電路.頂層諧振器采用支節(jié)線加載型階躍阻抗諧振器(SLR)［17］，底層諧振器采用半波長(zhǎng)諧振器，前者控制第1 和第3 個(gè)通帶的頻率，后者控制第2 個(gè)通帶的頻率.通過改變諧振器的尺寸，3 個(gè)通帶的頻率容易調(diào)整到期望值.另外，文中還引入了交叉耦合，使每個(gè)通帶的每邊至少有1 個(gè)傳輸零點(diǎn)，以提高邊緣選擇性.文中最后設(shè)計(jì)加工了一個(gè)工作在2.38、3.40 和5.15 GHz的三通帶濾波器并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).

1 三通帶濾波器的設(shè)計(jì)

圖1 文中提出的三通帶濾波器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the proposed tri-band bandpass filter

三通帶濾波器的三維結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，它是一個(gè)3 層結(jié)構(gòu).圖1 中，h 為基片厚度，W 為輸入、輸出口的傳輸線寬度，W1至W6分別為諧振器各部分的傳輸線寬度，L1至L6分別為各支節(jié)線的長(zhǎng)度，g1至g4分別為各耦合縫隙的寬度.該濾波器由一個(gè)頂層諧振器(分支線加載型階躍阻抗諧振器)、一個(gè)底層諧振器(半波長(zhǎng)諧振器)、一對(duì)DSPSL 饋線和一個(gè)插入到兩層介質(zhì)中間的導(dǎo)體平面構(gòu)成，導(dǎo)體平面比諧振器大但比整個(gè)介質(zhì)小，兩層介質(zhì)中插入的導(dǎo)體平面虛擬地把頂層與底層的諧振器(如圖1(b)和1(c)所示)隔離開來，并將它們轉(zhuǎn)換成連續(xù)的微帶諧振器.頂層諧振器電路控制第1 和第3 個(gè)通帶的頻率.底層諧振器電路控制第2 個(gè)通帶的頻率.端口1 和1'、2 和2'分別形成一對(duì)差分端口，彼此對(duì)齊.雙面平行帶線的頂層和底層的電壓相位差是180°.特征阻抗為50 Ω 的傳輸線連接到兩個(gè)諧振器，作為輸入輸出端口.

圖2 是三通帶濾波器的等效電路拓?fù)鋱D，R1表示底層諧振器，用于產(chǎn)生第2 個(gè)通帶;R2表示頂層階躍阻抗諧振器，用于產(chǎn)生第1 和第3 個(gè)通帶.從圖2可以看出，底層諧振器采用逐級(jí)耦合的結(jié)構(gòu)，頂層諧振器采用交叉耦合的結(jié)構(gòu)，這樣可以產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)以提高濾波器的滾降特性［18］.

圖2 三通帶濾波器的耦合結(jié)構(gòu)Fig.2 Coupling structure of the tri-band bandpass filter

由于頂層和底層的2 個(gè)諧振器是隔離的，改變其中一個(gè)諧振器的尺寸不會(huì)影響到另一個(gè)諧振器的頻率，因此，頂層和底層電路可分開設(shè)計(jì)，最后再將兩者結(jié)合.具體設(shè)計(jì)過程如下:

(1)設(shè)計(jì)工作于第1 和第3 個(gè)通帶頻率的微帶濾波器.根據(jù)文獻(xiàn)［16］中的理論分析(基片厚度為h的DSPSL 的特征阻抗Z1應(yīng)為基片厚度為h/2 的微帶線的特征阻抗Z2的2 倍)來確定特定特征阻抗的DSPSL 微帶寬度，因此，在單獨(dú)設(shè)計(jì)基于雙面平行帶線的頂層和底層濾波器時(shí)，傳輸線的特征阻抗選為25 Ω.根據(jù)文獻(xiàn)［17］可知，分支線加載諧振器的2 個(gè)頻率容易控制，分支線的長(zhǎng)度L4決定頻率f3，而不會(huì)影響f1.根據(jù)文獻(xiàn)［19］可知，SIR 結(jié)構(gòu)可通過合理選擇相應(yīng)的微帶寬度和長(zhǎng)度比來得到期望的頻率.因此，文中設(shè)計(jì)的微帶濾波器使用兩個(gè)分支線加載諧振器，開路分支線位于階躍阻抗線上.長(zhǎng)度L(L =L1+L2+L3)決定低通帶中心頻率f1，通過改變L 和L4來改變頻率較高的通帶.

(2)設(shè)計(jì)控制第2 個(gè)通帶頻率的諧振器，特征阻抗取為25 Ω.底層諧振器的諧振頻率由其長(zhǎng)度L'(L' =L0+L6+L7)決定.

(3)通過插入導(dǎo)體平面將兩個(gè)微帶濾波器結(jié)合起來.根據(jù)已知的濾波器初始參數(shù)(如長(zhǎng)度L1、L2、L3、L4、L5、L6和L7等)確定耦合縫隙寬度g1、g2、g3和g4，進(jìn)而確定耦合強(qiáng)度，最后進(jìn)行全面的仿真微調(diào).

圖3 三通帶濾波器在L4和L'變化時(shí)的頻率響應(yīng)Fig.3 Frequency responses of the tri-band bandpass filter to L4 and L'

為驗(yàn)證各通帶頻率的獨(dú)立可調(diào)性，采用IE3D仿真軟件設(shè)計(jì)了具有不同L4和L'的三通帶濾波器并進(jìn)行仿真分析.在其他參數(shù)不變的情況下，三通帶濾波器在L4和L'變化時(shí)的頻率響應(yīng)如圖3 所示，其中S11和S21分別為回波損耗和插入損耗.由圖3(a)可見，改變L4時(shí)僅第3 個(gè)通帶的中心頻率發(fā)生改變，其他2 個(gè)通帶保持不變;從圖3(b)可見，當(dāng)L'改變時(shí)，第2 個(gè)通帶的中心頻率發(fā)生改變，但第1 和第3 個(gè)通帶的頻率響應(yīng)保持不變.由此可見，該濾波器的3 個(gè)諧振頻率可以靈活地進(jìn)行控制.

2 仿真和測(cè)量結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)方法的有效性，在相對(duì)介電常數(shù)為3.38、厚度h 為1.62 mm、損耗正切值為0.0027 的基片上加工制作三通帶濾波器樣品，其頂層和底層實(shí)物圖如圖4 所示，整體尺寸為45 mm×19 mm.該濾波器的具體參數(shù)如下:L1=7.43 mm，L2=17.15 mm，L3=8.75 mm，L4=4.27 mm，L5=7.70 mm，L6=13.95 mm，L7=5.03 mm，W1=2.30 mm，W2=W3=W4=W5=0.80 mm，W6=2.40 mm，g1=0.30mm，g2=0.89 mm，g3=5.32mm，g4=0.20mm.輸入、輸出端口為50Ω 的雙面平行帶線，其寬度為4.95 mm.

圖4 三通帶濾波器的頂層及底層實(shí)物圖Fig.4 Photographs of the top and the bottom layers of the triband bandpass filter

采用HFSS 和8753ES 網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)該濾波器進(jìn)行仿真和測(cè)量，結(jié)果如圖5 所示.第1 個(gè)通帶在2.38 GHz 處，分?jǐn)?shù)帶寬為5.9%，最低插入損耗為2.9 dB;第2 個(gè)通帶在3.40 GHz 處，分?jǐn)?shù)帶寬為4.7%，最低插入損耗為1.2dB;第3 個(gè)通帶在5.15GHz處，分?jǐn)?shù)帶寬為5.3%，最低插入損失為1.2 dB.3 個(gè)通帶的回波損耗均大于15 dB.該濾波器在2.14、3.04、4.36 和5.66 GHz 處產(chǎn)了4 個(gè)傳輸零點(diǎn)，大大提高了邊緣選擇性.

圖5 三通帶濾波器的仿真和測(cè)量結(jié)果Fig.5 Simulated and measured results of the tri-band bandpass filter

3 結(jié)語

文中提出了一種新的三通帶濾波器設(shè)計(jì)方法.該濾波器基于中間層插入導(dǎo)體平面的雙面平行帶線，由分別位于頂層和底層的2 個(gè)諧振器組成，通過調(diào)整其參數(shù)來控制諧振頻率和帶寬.該濾波器的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作在2.38、3.40 和5.15 GHz 通信頻段.為驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的有效性，筆者設(shè)計(jì)并加工了一個(gè)三通帶濾波器實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果吻合良好，從而驗(yàn)證了這種設(shè)計(jì)方法的有效性.在今后的研究中，可以考慮結(jié)合低溫共燒陶瓷(LTCC)等工藝來進(jìn)一步減小濾波器的體積.

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